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未来元器件新材料之争:硅烯完胜石墨烯

2018-05-16 点击量:267
未来元器件新材料之争:硅烯完胜石墨烯

 硅烯被认为在未来元器件中的应用会超过石墨烯。日前,由意大利和美国科研人员组成的团队创建出了世界首个硅烯晶体管。该成果将加快硅烯实际应用进程。

硅烯是一种由单个原子厚度的硅制成的材料,类似石墨烯,被证明具有超凡的导电性能,但制备过程极为困难。这种晶体管拥有巨大的潜力,对于计算机科学家来说,硅烯是一种比石墨烯更有趣的材料。7年前,硅烯还只是理论学家的一个梦想。受石墨烯热的驱动,研究人员推测,硅原子也可能形成类似的表面。而且如果它们可以被用于制作产品,硅烯胶片将会使半导体工业实现微型化的终极梦想。

目前,该研究团队计划精炼制作工艺,以期在短期内制造出寿命更长的硅烯晶体管。其中还有很多的困难需要克服,因为硅烯在现实世界中使用时十分不稳定,但是科学家表示:“这是重大的突破,低温制造技术和硅烯原件制造还是******次。”研究人员相信,未来的元器件中硅烯的应用会比石墨烯更容易,毕竟绝大多数的芯片设计都是硅基的。

美国得克萨斯州立大学纳米材料研究人员、参与制作这个晶体管的Deji Akinwande说,尽管该设备的性能目前仍比较普通,使用寿命也仅能以分钟来计,但这一理念的证实已经引起高度关注。法国马赛******大学材料科学家Guy Le Lay同意他的说法。“没有人预料到会在如此短的时间内实现它,毕竟不能用一种全然不存在的材料制造晶体管。”他说。

但在实验室中处理硅烯一直存在巨大挑战,这种材料不能像石墨烯那样,形成块状石墨,然后用胶带从固体砌块上剥下来。取而代之的是,研究人员通过让硅原子热蒸汽在真空室中浓缩到一块透明的银块上来获取它,这是一个非常复杂的过程。而且不像稳健的石墨烯,单独的硅烯在空气中极不稳定,很难把轻薄的表层镀到更加有用的基底上——如晶体管的内壁。正因为如此,直到去年,一些研究人员还在质疑硅烯究竟是否存在。

随着硅烯晶体管走进现实,对石墨烯不适宜用来制作晶体管的认识也与日俱增。石墨烯或许是世界上导电性能******的物质,但却缺少一种关键特性。和计算机芯片中使用的半导体不同,它缺乏带隙——携带电流之前必须跃过的能量跨栏。带隙可以让半导体设备关闭,实行“合乎逻辑”的操作。

相较而言,硅烯拥有带隙。不过,这种晶体管仍不能在短期内应用于移动手机:因为外露的硅烯2分钟左右就会退化。然而,这段时间已足以检测其特性。如果在硅烯晶体管上加一层涂层可以延长其寿命。Akinwande曾用聚四氟乙烯帮助磷烯胶片“生存”了数月。

然而,并非所有人都对硅烯的未来持乐观态度。“现在,关于硅烯、锗烯、磷烯的讨论有很多。但是它们面临的问题相当多。”瑞典查尔姆斯理工大学的Jari Kinaret 说,他同时是欧盟石墨烯旗舰项目的负责人。

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